翻斗式雨量計的誤差分析與改進

王展宏

（浙能蕭山發(fā)電廠，浙江 杭州 311202）

0 引言

目前雨量觀測儀器中翻斗式雨量計已逐漸取代傳統(tǒng)的雨量器和虹吸式雨量計，廣泛應用于水文自動測報與雨量資料收集固態(tài)存貯系統(tǒng)中。翻斗式雨量計分為翻斗式雨量傳感器和數(shù)據(jù)采集儀 2 部分。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集儀己經(jīng)能夠達到很高的精度標準，完全能滿足雨量觀測的要求。翻斗式雨量計存在的主要問題來自翻斗式雨量傳感器，主要表現(xiàn)在翻斗式雨量傳感器的計量誤差較大。隨著雨強的變化，計量誤差隨之變化，同期雨量觀測資料對比表明：雨強變化越大，降雨量的測量誤差也越大。因此，翻斗式雨量計在使用過程中存在的問題之一是雨強與測量誤差之間的矛盾。

1 翻斗式雨量計工作原理

目前，較多使用的是單翻斗雨量傳感器。降水由筒身上部承雨口，進入翻斗。翻斗一般由金屬材料制成，支承在軸承上。當翻斗內(nèi)水量達到規(guī)定量時，翻斗會因為自身重力自行翻轉(zhuǎn)。翻斗下方左右各有 1 個定位螺釘，調(diào)節(jié)高度，可改變翻斗傾斜角度，即可改變翻斗每一次的翻轉(zhuǎn)量。翻斗上部有磁鋼，在雨量計固定支架上安裝有高靈敏度的干簧管。在翻斗翻轉(zhuǎn)過程中，磁鋼接近干簧管，隨即離開，使干簧管內(nèi)觸點產(chǎn)生 1 次接觸斷開過程，達到1 次翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生 1 個信號的目的[1]。將翻斗翻轉(zhuǎn)水量調(diào)節(jié)成要求值，如 0.1，0.2，0.5 mm 雨量（在承雨口徑為 200 mm 時，分別為 3.14，6.28，15.7 mL 水量），則每個信號代表0.1，0.2，0.5 mm 降雨，實現(xiàn)降水遙測的目的。

2 翻斗式雨量計誤差產(chǎn)生的原因

翻斗式雨量計的誤差是通過實際降水量和儀器實際排水量比較后得出的，但在使用中，實際降水量因為受到許多環(huán)境因素（比如風、地形、高度等）的影響無法準確認定，故以進入承雨口的雨量為雨量真值。

2.1 儀器的最大起始誤差 [2]

儀器安裝在野外，在初始干燥的情況下，降雨后雨水先由進水口匯集，通過管道，進水漏斗，最終進入翻斗。在翻斗翻轉(zhuǎn)之前，翻斗內(nèi)的降水，以及進水漏斗、管道、儀器集水面等處殘留的水珠和水膜無法在儀器中得到計量；翻斗翻轉(zhuǎn)以后，翻斗內(nèi)的降水雖然參加了計量，但殘留的水珠、水膜仍然無法得到反映。翻斗最后一次翻轉(zhuǎn)到降雨停止的這段時間內(nèi)，殘留在翻斗內(nèi)的水量也無法得到反映，造成儀器系統(tǒng)誤差，即測量值可能總是小于真值。最大起始誤差可由以下部分組成：

1）濕潤誤差。即殘留的水珠和水膜，導致降水并不立即進入翻斗計量 ，產(chǎn)生誤差。濕潤誤差值在每次發(fā)生降水時管道、進水漏斗、儀器集水面等處都干燥的情況下才會比較明顯，且是定值；與雨強和降水量大小無關(guān)，但濕潤誤差在每次降水過程中所占比重與降水量的大小有關(guān)。濕潤誤差值可以通過實驗的方法測得。

2）分辨力誤差。由于降水量的不確定性，所以在實際使用過程中小于儀器分辨力的計量誤差沒有辦法克服，并且在分辨力范圍內(nèi)呈隨機分布狀態(tài)，因此一般簡化處理方法是將殘留在翻斗內(nèi)未計量的降水導致的誤差直接取為分辨力的最大值，也是一定值。

由于濕潤和分辨力誤差均為定值，故儀器的最大起始誤差也為定值，因此可根據(jù)該誤差在某次降雨中所占的比重大小評定本次降水量的計量過程和精度是否合乎標準。

2.2 儀器的翻斗計量誤差

單翻斗雨量計比較簡單，但存在比較明顯的翻轉(zhuǎn)誤差。在翻轉(zhuǎn)的前半部分，即翻斗從開始翻轉(zhuǎn)到翻斗中間隔板越過中心線的 △t 時間內(nèi)，進水漏斗仍向翻斗內(nèi)注水，多計量的水重量為 △W。降水強度越大，注入的水量也越大，反之越小。這部分在翻轉(zhuǎn)過程中注入但實際并未得到計量的水量，產(chǎn)生隨降雨強度不同而變化的計量誤差，也即動態(tài)計量相對誤差，為 △W 與雨量計感量相應重量 G 之比。

對翻斗的計量誤差，可用雨強—精度關(guān)系圖表示，如圖 1 所示。

儀器調(diào)整時，可設置在雨強為 2 mm/min 左右，測量精度最高，誤差接近于零。從圖 2 可見，當雨強較大時（大于 2 mm/min），翻斗翻轉(zhuǎn)期間注入水量較多，導致儀器自身排水量大于儀器記錄值，測量精度偏負；反之當雨強很小時，翻斗翻轉(zhuǎn)期間幾乎無降水注入，導致儀器記錄值大于自身排水量，測量精度偏正。

2.3 儀器的器口尺寸誤差

翻斗式雨量計的器口直接控制儀器承受雨量的面積，是決定儀器精度的因素之一。根據(jù) JB/T 9458—1999《雨量器技術(shù)條件》[3]規(guī)定，雨量器承水口的直徑為 200 mm。然而，在儀器制造過程中，存在制造誤差，儀器承受雨量的面積與理論面積有差異，造成儀器的器口尺寸誤差。

圖1 單翻斗雨量計雨強—精度關(guān)系

3 翻斗式雨量計的改進措施

通過分析誤差產(chǎn)生的原因，可有針對性地采用相應措施盡可能減小翻斗式雨量計的計量誤差。

3.1 調(diào)整翻斗感量

通過對翻斗雨量計的誤差試驗研究，可以得到翻斗式雨量計的誤差與翻斗感量及雨強都存在特定的函數(shù)關(guān)系。如對于分辨力為 0.1 mm 的翻斗式雨量計，每翻 1 斗代表降水量 0.1 mm，轉(zhuǎn)換成質(zhì)量表示為3.14 g，在試驗中，把翻斗感量調(diào)整到每斗 2.65 g，可使雨強在 2 mm/min 時，計量誤差為零。在實際工作中，可根據(jù)當?shù)亟涤昵闆r，調(diào)整翻斗感量，使其在經(jīng)常出現(xiàn)的雨強范圍內(nèi)，計量誤差盡可能小。但這種改正措施在實際操作時是很困難的，翻斗感量與對應的傾角關(guān)系非常復雜，只有不斷地調(diào)整，使翻斗感量達到既定標準，如果調(diào)整不好，翻斗感量出現(xiàn)誤差，還是不能達到較小計量誤差的目的。

3.2 減小翻斗傾角

減小翻斗部件安裝角也即減小 2 斗室計量轉(zhuǎn)換的路程，從而縮短翻斗翻轉(zhuǎn)時間 △t，減小計量中的增量 △W，使翻斗動態(tài)計量相對誤差減小。實驗表明，這種方法是可行的。但傾斜角不宜過小，否則儀器將不穩(wěn)定。

3.3 縮短 2 斗室轉(zhuǎn)換時間 △t [4]

翻斗部件的運動方程式可以表示為

式中：M 為上斗室雨水的翻轉(zhuǎn)動力矩；J 為翻斗部件轉(zhuǎn)動慣量；ω 為翻斗部件翻轉(zhuǎn)角速度；t 為翻斗部件翻轉(zhuǎn)時間。

由式 (1) 可見，對某一感量儀器，當 M 為一定時，J 越小，角加速度 △ω/△t 越大，則可縮短 2 斗室計量轉(zhuǎn)換時間 △t，達到減少動態(tài)計量相對誤差的目的。

鎂鋁合金是用鎂錠和鋁錠在保護氣體中高溫熔融而成的，在同樣強度下，鎂鋁合金的部件能做得比塑料的部件薄而且輕。鎂鋁合金機械加工性能好，切削阻力小。所以，若是將鎂鋁合金作為翻斗材料，則翻斗轉(zhuǎn)動慣量會大大減小，△t 將會大大縮短。

3.4 增大翻斗式雨量計的承雨口面積

為了減小儀器的濕潤誤差，在儀器制作時一般會故意使儀器承雨口尺寸略微偏大，從而提高儀器整體測量精度。除了減小濕潤誤差以外，增大承雨口面積，可增大每斗水的重量，從而減小翻斗動態(tài)計量相對誤差，這也是提高儀器測量精度最簡捷的方法。目前許多國家除采用標準承雨口（直徑為 20.00 cm）外，承雨口直徑還有 20.30，28.73 和 30.48 cm。

3.5 安裝閥門消減器差裝置

在進水漏斗處安裝 1 個靈巧的微型閥門，用翻斗本身機械力控制閥門，只有當翻斗部件中 1 個空斗室處于漏斗嘴下方時，閥門才被打開，使雨水注入斗室。而在 2 個斗室輪換計量的 △t 間隙時間內(nèi)，閥門是被關(guān)閉的，因而這部分的雨水將流入另一斗室，這樣可解決單翻斗計量中由于雨強不同而產(chǎn)生的器差問題。經(jīng)過改進后的翻轉(zhuǎn)翻斗結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2 所示。

圖2 經(jīng)過改進后的翻轉(zhuǎn)翻斗結(jié)構(gòu)示意圖

3.6 表面噴涂特氟龍

特氟龍即聚四氟乙烯，一般稱作“不粘涂層”或“易潔鑊物料”。這種材料具有抗酸抗堿、各種有機溶劑的特點，幾乎不溶于所有的溶劑；同時，具有耐高溫、摩擦系數(shù)極低等特點，所以作潤滑作用之余，亦成為易潔鑊和水管內(nèi)層的理想涂料。因為特氟龍有不粘性、低摩擦系數(shù)、不濕性、耐高溫、耐化學性、低溫穩(wěn)定性等特性，所以，翻斗式雨量計的管道、進水漏斗、儀器集水面、計量翻斗的表面經(jīng)過噴涂特氟龍?zhí)幚砗?，能在最大程度上消除濕潤誤差。

3.7 通過軟件改正

翻斗式雨量傳感器一般均配置有顯示、記錄、傳輸、存貯裝置，該裝置是 1 個單片機系統(tǒng)。由于翻斗計量誤差與降雨強度間具有一定的相關(guān)關(guān)系，故可利用測量翻斗翻轉(zhuǎn)的時間間隔，推算出當時的降雨強度，從而對翻斗的計量精度進行修正。對成批生產(chǎn)、工藝生產(chǎn)質(zhì)量具有充分保證的傳感器，計量誤差與雨強間的關(guān)系，可固定為某條曲線，植入系統(tǒng)軟件內(nèi)，對翻斗計量誤差進行改正。實踐證明，通過軟件改正，能較有效地提高單翻斗雨量傳感器的測量精度。

4 結(jié)語

精確的降水測量是水資源利用、災害預警和環(huán)境評估等多方面的重要組成部分，高質(zhì)量的降水資料可以為水文預報、計算、分析提供可靠依據(jù)，所以雨量傳感器存在的誤差問題直接影響降水資料的質(zhì)量。因此在使用中，應根據(jù)不同地域降水的不同，分析誤差產(chǎn)生的原因，提出可行的改進措施，不斷提高翻斗式雨量計的測量精度。但是實際使用過程中雨量計的使用環(huán)境、儀器的調(diào)校和維護，以及數(shù)據(jù)采集儀的可靠性等方面的問題還需要進一步探討。

[1]黃亮. JDZ05 型翻斗式雨量傳感器的實際應用[J]. 水利水文自動化，2004 (4): 40-42.

[2]姚永熙. 水文儀器及水利水文自動化[M]. 南京：河海大學出版社，2001: 53-54.

[3]長春氣象儀器研究所，上海氣象儀器廠. JB/T9458-1999雨量器技術(shù)條件. 北京：機械工業(yè)出版社，1999: 3.

[4]楊漢塘. 翻斗雨量計動態(tài)計量系統(tǒng)誤差來源及其改善措施[J]. 水利水文自動化，2001 (4): 20-25.